Przejdź do treści

Centaurus A: Polacy badają wysokoenergetyczne promieniowania gamma z dżetu galaktyki aktywnej

Cen A

W dniu 17 czerwca w czasopiśmie Nature ukazała się praca badaczy z międzynarodowego obserwatorium H.E.S.S., prezentująca odkrycie wysokoenergetycznej emisji gamma z relatywistycznej strugi, "dżetu" bliskiej aktywnej galaktyki Centaurus A (Cen A). To ważne dla astronomii odkrycie zostało dokonane z udziałem polskich naukowców, w tym m.in. zespołu z Obserwatorium Astronomicznego UJ.

Europejskie obserwatorium H.E.S.S. znajduje się w Namibii, na południu Afryki, w miejscu o znakomitych warunkach pogodowych, dającym prz tym możliwość badania widocznych stamtąd centralnych obszarów naszej Galaktyki. Zasadniczym elementem obserwatorium są specjalistyczne teleskopy optyczne. Obserwacje Wszechświata w zakresie wysokich energii gamma to stosunkowo nowa, dynamicznie rozwijająca się dziedzina badań astronomicznych, przynosząca zaskakujące często odkrycia i dostarczająca nowych, niekiedy przełomowych wyników naukowych. Eksperyment H.E.S.S. jest niekwestionowanym liderem światowym w tej dziedzinie badań Kosmosu. Wśród jego licznych osiągnięć można wymienić m.in. odkrycia promieniowania gamma pochodzącego z aktywnych jąder galaktyk zawierających supermasywne czarne dziury, z pozostałości po wybuchach supernowych, z relatywistycznych wiatrów w mgławicach otaczających pulsary, z centrum naszej Galaktyki czy z niektórych gromad gwiazd. Uzyskane dotąd wyniki naukowe stały się podstawą przyznania zespołowi eksperymentu H.E.S.S. prestiżowej Nagrody Kartezjusza.

Wykorzystując w sumie 202 godziny obserwacji (co odpowiada około 1/6 całego czasu obserwacyjnego dostępnego w ciągu roku na H.E.S.S!) stwierdzono niedawno, że znana już wcześniej emisja wysokoenergetycznego promieniowania gamma z galaktyki aktywnej Cen A pochodzi nie tylko z okolicy znajdującej się w jej centrum supermasywnej czarnej dziury, ale rozciąga się również wzdłuż dżetu, na tysiące lat świetlnych w głąb badanej radiogalaktyki.

Emisja promieniowania gamma, generowane w kosmosie promieniowanie elektromagnetyczne o wielkich energiach, powstaje głównie w wyniku oddziaływania przyspieszonych i naładowanych elektrycznie cząstek z otaczającym je gazem lub polem promieniowania. Zatem w dżecie Cen A, daleko od centrum produkującej go galaktyki macierzystej, muszą działać potężne procesy przyśpieszania cząstek – do energii większych niż te, jakie mają protony rozpędzane przez fizyków w najpotężniejszych ziemskich akceleratorach.

 

Optyczne teleskopy "Czerenkowa"

Ilustracja 1. Optyczne teleskopy Czerenkowa w obserwatorium H.E.S.S. w Namibii (fot. M. Ostrowski).

 

Galaktyka Cen A w zakresie optycznym,

Ilustracja 2. Galaktyka Cen A w zakresie optycznym, obserwowana przez H.E.S.S. emisja gamma pochodzi z jej centralnego obszaru, gdzie od czarnej dziury w samym centrum rozciąga się niewidoczny tu dżet. Źródło: APOD.

 

Dżety, wystrzeliwane z prędkością bliską prędkości światła z sąsiedztwa supermasywnych czarnych dziur aktywnych jąder galaktyk, są potężnymi emiterami promieniowania w całym widmie elektromagnetycznym, od fal radiowych do zakresu promieniowania gamma. O ile jednak obserwacje radiowe, optyczne czy rentgenowskie pozwalają na badanie struktury dżetu dzięki dużej czułości i zdolności rozdzielczej obecnych pomiarów, to jak dotąd w zakresie promieniowania gamma obserwowano jedynie nierozdzieloną emisję, która mogłaby w całości pochodzić z aktywnego centrum galaktyki.

Przełom w tym zakresie, zaprezentowany we wspomnianej na początku pracy, okazał się możliwy dzięki zastosowaniu techniki pomiaru wykorzystującej optyczne "teleskopy Czerenkowa" obserwatorium H.E.S.S. Wysokoenergetyczne promienie gamma z kosmosu rejestruje się w tym obserwatorium dzięki wytwarzanym przez nie w górnych warstwach atmosfery kaskadom cząstek wtórnych – olbrzymich pęków lecących z prędkościami bliskimi prędkości światła elektronów i pozytonów (anty-elektronów). Z tego powodu promieniowanie gamma jest dla nas na powierzchni Ziemi bezpośrednio niewidoczne. Jednak dzięki temu, że lecące przez powietrze szybciej niż wynosi prędkość światła w atmosferze (!) cząstki kaskady generują tzw. "promieniowanie Czerenkowa", czyli słabe światło widzialne w zakresie optycznym, można takie kaskady zaobserwować oraz wyznaczyć energię i kierunek początkowej fali promieniowania gamma.

Teleskopy H.E.S.S., pozwalające na dużą precyzję pomiarów tych poświat optycznych, mogą zatem badać także odpowiadające za ich powstanie promieniowanie gamma pochodzące ze źródeł kosmicznych, i to ze zdolnością rozdzielczą znacznie przewyższającą możliwości obserwatoriów satelitarnych badających kosmiczne promieniowanie gamma sponad atmosfery – takich jak Obserwatorium Fermiego. Dzięki temu stało się możliwe obecne odkrycie, przy czym dla galaktyki Cen A potrzeba było niezwykle długich obserwacji jej słabej emisji gamma oraz bardzo precyzyjnej i trudnej analizy zebranych danych obserwacyjnych.

 

kaskada cząstek wtórnych

Ilustracja 3: Incydent związany z wysokoenergetycznym promieniowaniem gamma w wysokich warstwach atmosfery generuje tzw. kaskadę cząstek wtórnych. Źródło: www.mpi-hd.mpg.de.

 

Międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S. (skrót od angielskiej nazwy High Energy Stereoscopic System) prowadzi pomiary na południu Afryki, w Namibii. Obserwatorium Astronomiczne UJ i inne wiodące polskie uczelnie biorą udział w pasjonujących pracach badawczych tego projektu już od kilkunastu lat, ze wsparciem finansowym w postaci grantów Narodowego Centrum Nauki i Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Omówienie prowadzonych przez Polaków badań zaprezentowano w roku 2017 na wykładzie w Instytucie Fizyki UJ, dostępnym na YouTube.

Międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S., na które składa się pięć teleskopów zlokalizowanych w Namibii, obejmuje także naukowe instytuty i laboratoria z aż trzynastu krajów (w tym Francji, Niemiec, Namibii, Afryki Południowej, Irlandii, Armenii, Polski, Australii, Austrii, Szwecji, Wielkiej Brytanii, Holandii i Japonii). W pracach obserwatorium i międzynarodowego konsorcjum H.E.S.S. realizowanych w Polsce bierze udział grupa badaczy z Obserwatorium Astronomicznego UW: Tomasz Bulik i Małgorzata Curyło, z CAMK PAN: Jarosław Dyks, Włodzimierz Kluźniak, Rafał Moderski, Bronisław Rudak i Andrzej A. Zdziarski, z Obserwatorium Astronomicznego UJ: Michał Ostrowski, Marek Jamrozy i Łukasz Stawarz oraz doktorantka Angel Priama Noel, z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN: Sabrina Casanova, Jacek Niemiec i Alicja Wierzcholska, oraz badacz z Centrum Astronomii UMK - Krzysztof Katarzyński.


Czytaj więcej:

 

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska, Michał Ostrowski (OA UJ)

Źródło: OA UJ/H.E.S.S.

Na zdjęciu powyżej: Galaktyka Cen A w promieniowaniu rentgenowskim z satelity Chandra. Widać silną emisję z otoczenia czarnej dziury w jej centrum oraz dżet rentgenowski skierowany w górę i na lewo. Źródło: Chandra.harvard.edu.